DE19950902A1 - System and method for controlling a positioning device, in particular actuators in machine tools, and a phase mixing device - Google Patents
System and method for controlling a positioning device, in particular actuators in machine tools, and a phase mixing deviceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Steuerung einer Positioniereinrichtung, insbesondere von Stellantrieben bei Werkzeugmaschinen, mit einer inkrementellen Positionsmeßeinrichtung mit Ausgangssignalen der Form sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) und einer die Ausgangssignale in Steuersignale umsetzenden und damit die Positioniereinrichtung steuernden Steuereinheit. Dabei ist p ein Winkel, um den die beiden Ausgangssignale phasenverschoben sind.The invention relates to a system and a method for controlling a positioning device, in particular actuators in machine tools, with an incremental position measuring device with output signals of the form sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) and a control unit converting the output signals into control signals and thus controlling the positioning device . P is an angle by which the two output signals are out of phase.
Die Erfindung betrifft ferner eine Phasenmischvorrichtung, die bei dem genannten System bzw. bei der Durchführung des genannten Verfahrens verwendet werden kann.The invention further relates to a phase mixing device, which in the said system or the implementation of said method can be used.
Bei Werkzeug-, Bearbeitungs- und Fertigungsmaschinen, aber auch bei verschiedenen Meß- und Prüfeinrichtungen ist es notwendig, ein Werkzeug oder einen Meßfühler relativ zu einem Werkstück oder einem zu prüfenden Teil automatisch zu positionieren. Aus Gründen der Einfachheit wird die Erfindung im folgenden immer am Beispiel der Positionierung eines Werkzeugs einer Werkzeugmaschine relativ zu einem Werkstück beschrieben, ohne daß die Erfindung jedoch auf diesen speziellen Anwendungsfall beschränkt wäre.For machine tools, processing and manufacturing machines, but also for various measuring and Test equipment it is necessary to have a tool or a probe relative to a workpiece or automatically position a part to be checked. For the sake of simplicity, the Invention in the following always using the example of the positioning of a tool Machine tool described relative to a workpiece, but without the invention this special application would be limited.
Zur Positionierung von Werkzeug und Werkstück sind die Werkzeuge bei modernen Werkzeugmaschinen in der Regel um fünf und mehr Achsen verfahr- und verschwenk- bzw. verdrehbar. Die Verfahr- und Schwenk- bzw. Drehbewegungen werden von einer zentralen Steuereinheit, in der Regel einer sogenannten numerischen Steuerung (NC) gesteuert, wobei die Steuereinheit von einer Positionsmeßeinrichtung beim Verfahren, Verschwenken oder Verdrehen fortlaufend Informationen über die ausgeführten Positionsänderungen erhält.For the positioning of tools and workpieces, the tools are modern Machine tools as a rule can be moved and pivoted or pivoted around five or more axes rotatable. The traversing and swiveling or rotating movements are controlled by a central one Control unit, usually a so-called numerical control (NC) controlled, the Control unit from a position measuring device when moving, pivoting or rotating continuously receives information about the position changes made.
Bei den Positionsmeßeinrichtungen haben sich die sogenannten inkrementellen (zählenden) Positionsmeßeinrichtungen besonders bewährt. Nach Art der Ausgangssignale unterscheidet man dabei zwischen Meßeinrichtungen mit rechteckförmigen (und damit quasi digitalisierten) Ausgangssignalen (wobei die Signale in der Regel in Form eines Spannungsimpulses übermittelt werden) und solchen mit sinusförmigen (also analogen) Ausgangssignalen. Die Einrichtungen mit rechteckförmigen Ausgangssignalen zeichnen sich durch eine verhältnismäßig einfache Signalverarbeitung aus, wobei die Positionsabweichungen in der Regel ±3% der Signalperiode betragen.The so-called incremental (counting) Position measuring systems have proven particularly successful. A distinction is made between the type of output signals thereby between measuring devices with rectangular (and thus quasi digitized) Output signals (whereby the signals are usually transmitted in the form of a voltage pulse ) and those with sinusoidal (i.e. analog) output signals. The facilities with Rectangular output signals are characterized by a relatively simple Signal processing off, with positional deviations usually ± 3% of the signal period be.
Sollen mit einer relativ kurzen Abtastzeit von z. B. 250 µs Verfahrgeschwindigkeiten von wenigstens 0,01 m/min realisiert werden, und soll aus Genauigkeitsgründen eine Änderung von mindestens einem Meßschritt pro Abtastzyklus stattfinden, so wird ein Meßschritt von nur 0,04 µm benötigt. Mit diesem Meßschritt ergibt sich z. B. bei 60 m/min eine Schrittfrequenz von 60 m/(60 s . 0,04 µm) = 25 MHz. Um dabei den Schaltungsaufwand in der Folgeelektronik gering zu halten, sind Eingangsfrequenzen kleiner als 1 MHz anzustreben. Für solche hohen Verfahrgeschwindikeiten und sehr kleinen Meßschritte haben sich inkrementelle Positionsmeßeinrichtungen mit sinusförmigen Ausgangssignalen bestens bewährt, die mit einer relativen Positionsabweichung innerhalb einer Signalperiode für Antriebe mit digitaler Drehzahlregelung von weniger als 1% der jeweiligen Signalperiode des Meßgerätes sogar noch genauer sind als Meßeinrichtungen mit rechteckförmigen Ausgangssignalen.Should with a relatively short sampling time of z. B. 250 µs travel speeds of at least 0.01 m / min, and should be at least a change for reasons of accuracy one measuring step per scanning cycle, a measuring step of only 0.04 µm is required. With this measuring step, z. B. at 60 m / min a step frequency of 60 m / (60 s. 0.04 µm) = 25 MHz. In order to keep the circuit complexity in the subsequent electronics low, To strive for input frequencies less than 1 MHz. For such high travel speeds and Very small measuring steps have become incremental position measuring devices with sinusoidal Output signals have been tried and tested with a relative position deviation within a Signal period for drives with digital speed control of less than 1% of the respective Signal period of the measuring device are even more accurate than measuring devices with rectangular Output signals.
Nun besteht das Problem, daß auf Grund von Nichtlinearitäten, thermischen Ausdehnungen, Schwingungen etc. Werkstück und Werkzeug sich tatsächlich in einer Position relativ zueinander befinden, die von der Position abweicht, die die Steuereinheit auf Grund der ihr von der Meßeinrichtung übermittelten Signale errechnet hat. Obwohl solche Abweichungen oft nur sehr gering sind, können sie in den Fällen, in denen extrem geringe Fertigungstoleranzen bei der Bearbeitung eines Werkstücks vorgegeben sind, dazu führen, daß das komplette Werkstück unbrauchbar wird. Dabei sind die unter bestimmten Bedingungen und/oder in bestimmten Positionen auftretenden Abweichungen oftmals im vorhinein kalkulier- bzw. meßbar.Now there is the problem that due to non-linearities, thermal expansion, Vibrations etc. Workpiece and tool are actually in one position relative to each other are located, which deviates from the position, which the control unit due to it from the Measuring device has calculated signals transmitted. Although such deviations are often very limited are low, they can be used in cases where extremely low manufacturing tolerances Machining a workpiece are given lead to the entire workpiece becomes unusable. These are under certain conditions and / or in certain positions Any deviations that occur can often be calculated or measured beforehand.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Steuerung einer Positioniereinrichtung anzugeben, bei welcher bestimmte Positionsabweichungen automatisch berücksichtigt werden können, ohne daß hierzu Veränderungen an den an sich bewährten Steuereinheiten bzw. deren Betriebsweise vorgenommen werden müßten.Proceeding from this, the object of the invention is a device and a method for Control of a positioning device to specify in which certain position deviations can be automatically taken into account without changes to the itself proven control units or their mode of operation would have to be carried out.
Die Aufgabe wird von einem System der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem Mittel zum Einmischen eines Korrekturwinkels ϕ2 in die Ausgangssignale derart vorgesehen und zwischen die Positionsmeßeinrichtung und die Steuereinheit geschaltet sind, daß die Ausgangssignale die Form sin (ϕ1 ± ϕ2), sin(ϕ1 ± p ± ϕ2) erhalten, bevor sie von der Steuereinheit in Steuersignale umgesetzt werden.The object is achieved by a system of the type mentioned at the outset, in which means for mixing a correction angle ϕ 2 into the output signals are provided and are connected between the position measuring device and the control unit in such a way that the output signals have the form sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ), sin (ϕ 1 ± p ± ϕ 2 ) before they are converted into control signals by the control unit.
Die Erfindung beruht also auf dem Grundgedanken, die von der jeweiligen Positionsmeßeinrichtung gelieferten Positionssignale auf ihrem Weg zur Steuereinheit "abzufangen", nach vorgegebenen Kriterien zu verändern und die veränderten Positionssignale der Steuereinheit zuzuleiten, um auf diese Weise Abweichungen zwischen der gemessenen und der tatsächlichen Position des zu steuernden Werkzeugs o. dgl. zu korrigieren. Der dabei einzumischende Korrekturwinkel ϕ2 kann - je nach Art der zu steuernden Positioniereinrichtung und in Abhängigkeit von den jeweiligen Besonderheiten - auch weit größer als 2π bzw. als 360° sein, so daß durch den Korrekturwinkel nicht nur Abweichungen innerhalb eines Schrittintervalls, sondern auch Abweichungen beliebiger Größe korrigiert werden können. Der Korrekturwinkel kann damit theoretisch sogar zur Steuerung der Positioniereinrichtung benutzt werden.The invention is therefore based on the basic idea of "intercepting" the position signals supplied by the respective position measuring device on their way to the control unit, changing them according to predetermined criteria and supplying the changed position signals to the control unit, in order in this way to deviate between the measured and the actual position of the to be controlled tool or the like. The correction angle ϕ 2 to be mixed in can - depending on the type of positioning device to be controlled and depending on the particular characteristics - also be far greater than 2π or 360 °, so that not only deviations within a step interval, but also deviations due to the correction angle any size can be corrected. The correction angle can thus theoretically even be used to control the positioning device.
Der Korrekturwinkel selbst kann auf unterschiedlichste, teilweise bekannte Weisen, die nicht Gegenstand dieser Anmeldung sind, bestimmt werden. Beispielsweise kann der Korrekturwinkel ϕ2 bei der Unrund-Bearbeitung eine Funktion f(x, y) der gemessenen Unrundheit der zu bearbeitenden Oberfläche sein. Bei der volumetrischen Kompensation kann ϕ2 eine Funktion einer oder mehrerer anderer Funktionen sein, z. B. eine Funktion der Temperatur, der Achsenausdehnung etc.The correction angle itself can be determined in a variety of ways, some of which are known and which are not the subject of this application. For example, the correction angle ϕ 2 during out-of-round machining can be a function f (x, y) of the measured out-of-roundness of the surface to be machined. With volumetric compensation, ϕ 2 can be a function of one or more other functions, e.g. B. a function of temperature, axis expansion, etc.
Die Erfindung hat den großen Vorteil, daß aufgrund der Tatsache, daß an der Steuereinheit selbst überhaupt keine Eingriffe vorzunehmen sind, auch bereits fertige Maschinen problemlos nachgerüstet bzw. auf das neue Verfahren zur Steuerung umgestellt werden können.The invention has the great advantage that due to the fact that on the control unit itself No interventions are required, even finished machines can be easily retrofitted or can be converted to the new control method.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zum Einmischen eines Korrekturwinkels ϕ2 einen analogen Phasenmischer. Dieser kann auf wenigstens eine, vorzugsweise auf zwei frei programmierbare Korrekturwinkeltabelle mit Werten der zu bestimmten Zuständen x zu berücksichtigenden Korrekturwinkeln ϕ2 oder deren trigonometrischen Entsprechungen zugreifen, so daß also der Korrekturwinkel ϕ2 kein konstanter Wert, sondern vielmehr eine von einem oder mehreren Parametern - wie z. B. Druck, Temperatur, absolute Position etc. - abhängige Funktion f(x) des Zustandes x ist, also ϕ2 = f(x). Auch können bestimmten Ausgangssignalen der Positionsmeßeinrichtung und bestimmten Intervallen von ϕ1 bestimmte Korrekturwinkel ϕ2 zugeordnet sein. So kann z. B. vorgesehen sein, die von 0 bis 2π bzw. 0° bis 360° reichenden Werte von ϕ1 in 1024 Intervalle aufzuteilen und jedem Intervall einen Wert ϕ2 zuzuordnen.In a preferred embodiment of the invention, the means for mixing in a correction angle ϕ 2 comprise an analog phase mixer. The latter can access at least one, preferably two, freely programmable correction angle tables with values of the correction angles ϕ 2 to be taken into account for certain states x or their trigonometric equivalents, so that the correction angle ϕ 2 is not a constant value, but rather one of one or more parameters. such as B. pressure, temperature, absolute position etc. - dependent function f (x) of the state x, i.e. ϕ 2 = f (x). Certain output signals of the position measuring device and certain intervals of ϕ 1 can also be assigned certain correction angles ϕ 2 . So z. B. be provided to divide the values of reich 1 from 0 to 2π or 0 ° to 360 ° into 1024 intervals and to assign a value ϕ 2 to each interval.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die sich durch besonders schnelles Ermitteln der der Steuereinheit zuzuleitenden korrigierten Werte sin(ϕ1 ± ϕ2), sin(ϕ1 ± ϕ2 ± p) auszeichnet, verfügt der analoge Phasenmischer über vier multiplizierende A/D-Wandler, wobei jeweils ein Wandler zur Erzeugung eines der folgenden vier Werte geschaltet ist: sinϕ1 . cosϕ2, cosϕ1 . sinϕ2, sin(ϕ1 ± p) . cosϕ2, cos(ϕ1 ± p) . sinϕ2. Beträgt die Phasenverschiebung p zwischen den Ausgangssignalen genau 90°, was üblicherweise zutrifft, entspricht sin(ϕ1 ± p) gerade cosϕ1 und die Ausgangssignale besitzen also die Form sinϕ1, cosϕ1 so können die Wandler zur Bildung zur automatischen Bildung der Werte cosϕ1 . sinϕ2, sinϕ1 . sinϕ2, sinϕ1 . cosϕ2 und cosϕ1 . cosϕ2 geschaltet sein.In an advantageous development of the invention, which is characterized by particularly quickly determining the corrected values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ), sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ± p) to be supplied to the control unit, the analog phase mixer has four multiplying A / D Converter, wherein one converter is switched to generate one of the following four values: sinϕ 1 . cosϕ 2 , cosϕ 1 . sinϕ 2 , sin (ϕ 1 ± p). cosϕ 2 , cos (ϕ 1 ± p). sinϕ 2 . If the phase shift p between the output signals is exactly 90 °, which is usually the case, sin (ϕ 1 ± p) corresponds to cosϕ 1 and the output signals thus have the form sinϕ 1 , cosϕ 1, so the converters can be used to form the values cosϕ 1st sinϕ 2 , sinϕ 1 . sinϕ 2 , sinϕ 1 . cosϕ 2 and cosϕ 1 . cosϕ 2 be switched.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der analoge Phasenmischer über zwei Addierverstärker verfügt, welche aus den Ausgangswerten jeweils zweier A/D-Wandler jeweils einen der Werte sin(ϕ1 ± ϕ2), sin(ϕ1 ± ϕ2 ± p) bilden. Die Addierverstärker erlauben es dann vorteilhaft, die vom Phasenmischer zur Steuereinheit geleiteten Ausgangssignale ggf unter Zwischenschaltung eines Filters so zu formen, daß sie in ihrer Charakteristik exakt den von der Positionsmeßeinrichtung gelieferten Ausgangssignalen entsprechen, auf deren Empfang die Steuereinheit üblicherweise eingestellt und optimiert ist.It has proven to be expedient if the analog phase mixer has two adding amplifiers, each of which has the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ), sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ± p) from the output values of two A / D converters. form. The adder amplifiers then advantageously allow the output signals from the phase mixer to the control unit to be shaped, possibly with the interposition of a filter, so that their characteristics correspond exactly to the output signals supplied by the position measuring device, the reception of which the control unit is usually set and optimized.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, daß die Mittel zum Einmischen des Korrekturwinkels ϕ2 wenigstens einen A/D-Wandler zur Umwandlung der analogen Ausgangssignale der Form sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) der inkrementellen Positionsmeßeinrichtung in digitale Signale und eine digitale Recheneinheit zur Berechnung der Werte sin(ϕ1 ± ϕ2), sin(ϕ1 ± p ± ϕ2) umfassen, wobei die digitale Recheneinheit auf dann wiederum auf wenigstens eine, vorzugsweise auf zwei frei programmierbare Korrekturwinkeltabellen zugreifen kann, in welchen die Werte der zu bestimmten Zuständen x zu berücksichtigenden Korrekturwinkel ϕ2 oder deren trigonometrischen Entsprechungen, insbesondere die Werte sinϕ2 und sin(ϕ2 ± p) gespeichert sind.Alternatively, it can also be provided that the means for mixing in the correction angle ϕ2 at least one A / D converter for converting the analog output signals of the form sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) of the incremental position measuring device into digital signals and a digital arithmetic unit for the calculation of the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ), sin (ϕ 1 ± p ± ϕ 2 ), the digital computing unit then having access to at least one, preferably two freely programmable correction angle tables in which the values of the to be determined States x correction angle ϕ 2 to be taken into account or their trigonometric equivalents, in particular the values sinϕ 2 and sin (ϕ 2 ± p) are stored.
Die genannte Aufgabe wird ferner gelöst von einem Verfahren zur Steuerung einer Positioniereinrichtung, insbesondere von Stellantrieben bei Werkzeugmaschinen, wobei von einer inkrementellen Positionsmeßeinrichtung Ausgangssignale der Form sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) erzeugt und einer Steuereinheit zugeleitet werden, welche die Ausgangssignale in die eine Positioniereinrichtung steuernde Steuersignale umsetzt, wobei den Ausgangssignalen vor der Zuleitung zur Steuereinheit Korrekturwinkel ϕ2 derart beigemischt werden, daß die Ausgangssignale die Form sin(ϕ1 ± ϕ2), sin(ϕ1 ± ϕ2 ± p) erhalten.The above object is further achieved by a method for controlling a positioning device, in particular actuators in machine tools, output signals of the form sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) being generated by an incremental position measuring device and being fed to a control unit which sends the output signals into the converts a positioning device to control signals, the correction signals vor 2 being added to the output signals upstream of the supply to the control unit such that the output signals are given the form sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ), sin (ϕ 1 ± p 2 ± p).
Dabei kann das Verfahren so durchgeführt werden, daß das Beimischen des Korrekturwinkels ϕ2 bei der Umwandlung der analogen Ausgangssignale der Form sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) der inkrementellen Positionsmeßeinrichtung in digitale Signale vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer multiplizierender A/D-Wandler erfolgt, wobei diese Vorgehensweise eine besonders schnelle und auch für hohe Eingangsfrequenzen geeignete Signalverarbeitung gewährleistet.The method can be carried out in such a way that the addition of the correction angle ϕ 2 when converting the analog output signals of the form sin Form 1 , sin (ϕ 1 ± p) of the incremental position measuring device into digital signals, preferably using one or more multiplying A / D- Converter takes place, this procedure ensures a particularly fast and also suitable for high input frequency signal processing.
Alternativ kann das Verfahren z. B. so durchgeführt werden, daß das Beimischen des Korrekturwinkels ϕ2 nach der Umwandlung der analogen Ausgangssignale der Form sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) der inkrementellen Positionsmeßeinrichtung in digitale Signale vorzugsweise unter Verwendung einer digitalen Recheneinheit erfolgt.Alternatively, the method may e.g. B. be carried out so that the admixing of the correction angle ϕ 2 after the conversion of the analog output signals of the form sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) of the incremental position measuring device into digital signals is preferably carried out using a digital computing unit.
Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Systems und Verfahrens wird eine Phasenmischvorrichtung (nachfolgend kurz Phasenmischer genannt) zur Einmischung eines Korrekturwinkels ϕ2 in die sinusförmigen Ausgangssignale sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) inkrementeller Positionsmeßeinrichtungen vorgeschlagen, welche Mittel zum Einlesen der Ausgangssignale sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) aus der Positionsmeßeinrichtung, eine Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens einer Tabelle mit im Zustand x zu berücksichtigenden Korrekturwinkeln ϕ2 oder trigonometrischen Entsprechungen dieser Winkel, vier multiplizierenden A/D-Wandlern zur Bildung von gemäß den Additionstheoremen für die Summen/Differenzen zweier Winkel zu berücksichtigenden Termen sowie zwei mit jeweils zwei der multiplizierenden A/D-Wandlern verbundenen Addierverstärkern zur Bildung der Werte sin(ϕ1 ± ϕ2) und sin(ϕ1 ± ϕ2 ± p) aus den von den multiplizierenden A/D-Wandlern gelieferten Werten umfaßt. To implement the system and method according to the invention, a phase mixing device (hereinafter referred to as phase mixer for short) for mixing in a correction angle ϕ 2 into the sinusoidal output signals sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) of incremental position measuring devices is proposed, which means for reading in the output signals sinϕ 1 , sin (ϕ 1 ± p) from the position measuring device, a memory device for storing at least one table with correction angles ϕ2 to be taken into account in state x or trigonometric equivalents of these angles, four multiplying A / D converters to form two according to the addition theories for the sums / differences Angle to be taken into account and two adding amplifiers connected to two of the multiplying A / D converters to form the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ) and sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ± p) from those of the multiplying A / D- Transducers delivered values includes.
Alternativ kann die Phasenmischvorrichtung auch so ausgebildet sein, daß sie Mittei zum Einlesen analoger sinusförmiger Ausgangssignale sinϕ1, sin(ϕ1 ± p) einer inkrementellen Positionsmeßeinrichtung, eine Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens einer Tabelle mit im Zustand x zu berücksichtigenden Korrekturwinkeln ϕ2 oder trigonometrischen Entsprechungen dieser Winkel, wenigstens einen A/D-Wandler zur Umwandlung der sinusförmigen analogen Ausgangssignale in digitale Signale und eine digitale Recheneinheit zur Bildung der Werte sin (ϕ1 ± ϕ2) und sin(ϕ ± p1 ± ϕ2) bzw. cos(ϕ1 ± ϕ2) aus den von dem wenigstens einen A/D- Wandler gelieferten digitalen Signalen umfaßt.Alternatively, the phase mixing device can also be designed in such a way that it provides a means for reading analog sinusoidal output signals sinignale 1 , sin (ϕ 1 ± p) of an incremental position measuring device, a memory device for storing at least one table with correction angles ϕ 2 to be taken into account in state x or trigonometric equivalents this angle, at least one A / D converter for converting the sinusoidal analog output signals into digital signals and a digital arithmetic unit for forming the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ) and sin (ϕ ± p 1 ± ϕ 2 ) or cos ( ϕ 1 ± ϕ 2 ) from the digital signals supplied by the at least one A / D converter.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:Further details and advantages of the invention emerge from the following description some embodiments in connection with the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung der Problemstellung, also der Einmischung eines Korrekturwinkels ϕ2 in Ausgangssignale der Form sinϕ1, cosϕ1 (bei einer Phasenverschiebung p von 90°), Fig. 1 is a schematic diagram for explaining the issue, that is, the interference sinφ a correction angle φ 2 into the output signals of the form 1, cos 1 (with a phase shift of p 90 °),
Fig. 2 und 3 ein Blockschaltbild eines Phasenmischgatters mit einem analogen Phasenmischer, Figs. 2 and 3 is a block diagram of a phase blending gate with an analogue phase mixer,
Fig. 4 ein stark vereinfachtes Prinzipschaltbild der Einbindung des analogen Phasenmischers in ein Geberinterface, Fig. 4 is a greatly simplified schematic diagram of the integration of the analogue phase mixer in an encoder interface,
Fig. 5 ein Schaltbild des analogen Phasenmischer mit vier multiplizierenden A/D-Wandlern und zwei Addierverstärkern, Fig. 5 is a circuit diagram of the analogue phase mixer with four multiplying A / D converters and two addition amplifiers,
Fig. 6 ein Schaltbild der Ansteuerung des Phasenmischers, Fig. 6 is a diagram of the actuation of the phase mixer,
Fig. 7 ein zur Begrenzung der maximal möglichen analogen Ausgangsfrequenz dem Phasenmischer nachgeschaltetes Tiefpaßfilter, Fig. 7 is a limitation to the maximum possible output frequency of analog low-pass filter connected downstream of the phase mixer,
Fig. 8 ein Prinzipschaltbild der Ausgangstufe zur Verstärkung des tiefpaßgefilterten Analogsignals, Fig. 8 is a block diagram of the output stage for amplifying the low-pass filtered analog signal,
Fig. 9 ein Prinzipschaltbild der Geberauswertung mittels MIP-Bausteinen, Fig. 9 is a block diagram of the encoder evaluation means MIP-blocks,
Fig. 10 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des typischen Signalverlaufs der interpolierten Signalfolgen und Fig. 10 is a schematic diagram to illustrate the typical waveform of the interpolated signal sequences and
Fig. 11 eine schematische Darstellung des Grundprinzips bei der Erzeugung von Referenzsignalen Fig. 11 is a schematic representation of the basic principle in the generation of reference signals
In der Fig. 1 ist schematisch dargestellt, wie sich die von einer an sich bekannten und daher hier nicht weiter dargestellten Positionsmeßeinrichtung gelieferten sinusförmigen Ausgangssignale verhalten, wobei der Phasenversatz zwischen den beiden Ausgangssignalen exakt 90° beträgt, so daß sich also das eine Signal sinus- das andere Signal cosinusförmig ändert. Bei den bekannten Steuerungen würde nun aus den Werten sinϕ1 und cosϕ1 die Position z. B. eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine bestimmt. Wie oben ausgeführt, besteht dabei das Problem, daß auf Grund verschiedener Umstände die gemessene Position nicht mit der tatsächlichen übereinstimmt.In Fig. 1 is shown schematically how the known by a per se and behave position measuring supplied sinusoidal output signals therefore not further illustrated here, the phase offset between the two output signals of exactly 90 °, so that, therefore, the signal sine the other signal changes cosine. In the known controls would now position z from the values sinϕ 1 and cosϕ 1 . B. determined a tool on a machine tool. As stated above, there is the problem that, due to various circumstances, the measured position does not match the actual one.
Während bei digitalen Positionsmeßeinrichtungen bei bekannten Fehlern relativ einfach Korrekturwerte zu den gemessenen Werten addiert oder subtrahiert werden können, ist dies bei den prinzipiell genaueren Meßsystemen mit sinusförmigen Ausgangssignalen nicht ohne Weiteres möglich. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, Abweichungen durch Einmischen eines Korrekturwinkels ϕ2 in die Ausgangssignale zu korrigieren, so daß sich also die von einer Steuereinheit zur Steuerung einer Positioniereinrichtung benutzten Werte sinϕ1 und cosϕ1 gemäß den Additionstheoremen für die Summe oder Differenz zweier Winkel ändern. Das Blockschaltbild eines zum nichttrivialen Einmischen eines solchen Korrekturwinkels ϕ2 dienenden Phasenmischgatters mit einem analogen Phasenmischer zeigen die Fig. 2 und 3, wobei die Fig. 3 die Fig. 2 nicht maßstäblich fortsetzt.While correction values can be added or subtracted relatively easily to the measured values in the case of known position errors in digital position measuring devices, this is not readily possible in the case of principally more precise measuring systems with sinusoidal output signals. According to the invention, it is now provided to correct deviations by mixing in a correction angle ϕ 2 in the output signals, so that the values sin ϕ 1 and cos ϕ 1 used by a control unit for controlling a positioning device change according to the addition theories for the sum or difference of two angles. For nontrivial mixing of such a correction angle φ 2 serving phase blending gate with an analogue phase mixer, Figs. 2 and 3, with FIG. 3, FIG. 2 does not continue the block diagram of a scale.
Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Phasenmischgatter gliedert sich in folgende Bereiche:
The phase mixer gate shown in FIGS . 2 and 3 is divided into the following areas:
- - Eingangsschaltung für Geber inklusive Fehlerdekodierung und externem 24 VoltSignal, wobei optional vorgesehen sein kann, daß ein nicht-potential-getrennter AC-DCWandler das angeschlossene Meßsystem mit Spannung versorgt,- Input circuit for encoder including error decoding and external 24 volt signal, whereby can optionally be provided that a non-isolated AC-DC converter connected measuring system supplied with voltage,
- - analoger Phasenmischer und analoge Referenzsignalbildung,- analog phase mixer and analog reference signal generation,
- - Digitalisierung der sinusförmigen Eingangs-Ausgangssignale,- digitization of the sinusoidal input-output signals,
- - Ausgangsschaltung als Gebernachbildung für nachfolgende Steuerungen,- output circuit as encoder simulation for subsequent controls,
- - FPGA (Field Programmable Gate Array) mit Oszillator, wobei in dieser frei programmierbaren Hardware die eigentlichen Phasenmischgatterfunktionen realisiert sind,- FPGA (Field Programmable Gate Array) with oscillator, in which it is freely programmable Hardware the actual phase mixer gate functions are implemented,
- - Plug & Play Controller, wobei dieser Baustein als Bindglied zum ISA-BUS die Adressdekodierung des Phasenmischgatters sowie die Interruptfähigkeit liefert und das Phasenmischgatter durch die P & P-Fähigkeit auch für moderne, zukünftige Boards mit neuen BI- OS-Versionen und Betriebssystemen geeignet ist und die Konfiguration in einem internen EEPROM liegt,- Plug & Play controller, whereby this module acts as a link to the ISA-BUS Address decoding of the phase mixing gate and the interrupt capability delivers and that Phase mixer gate due to the P&P capability also for modern, future boards with new BI OS versions and operating systems is suitable and configuration in an internal EEPROM is
- - Daten- und Adressbuffer zum Entkoppeln der Karte von ISA-BUS,- data and address buffers for decoupling the card from ISA-BUS,
- - ein die Bit-Map des FPGA-Bausteins enthaltenes Flash-EPROM, dessen Inhalt nach dem Einschalten automatisch innerhalb weniger Millisekunden ins FPGA übertragen wird, worauf das FPGA funktionstüchtig ist.- A flash EPROM containing the bit map of the FPGA module, the content of which after Switching on is automatically transferred to the FPGA within a few milliseconds FPGA is working.
Dabei besteht die Hauptfunktion des gezeigten Phasenmischgatters darin, Meßsystemsignale zu "verfälschen", nämlich der nachfolgenden Steuerung durch Einmischen einer gezielten Anzahl von Weginkrementen eine andere Positionsinformation zu übermitteln, als von der eigentlichen Positionsmeßeinrichtung ermittelt. Dieser Mischvorgang kann für unterschiedlichste Maschinen und Vorrichtungen verwendet werden, insbesondere bei der sogenannten volumetrischen Kompensation, der Unrundbearbeitung und der Temperaturkompensation.The main function of the phase mixer gate shown is to supply measuring system signals "falsify", namely the subsequent control by mixing in a targeted number of To transmit path increments a different position information than from the actual one Position measuring device determined. This mixing process can be used for a wide variety of machines and Devices are used, especially in the so-called volumetric compensation, non-circular machining and temperature compensation.
Das in den Fig. 2 und 3 gezeigte Phasenmischgatter ist in den Fällen, in denen ein Meßsystem ohne eigenen Nullimpuls benutzt werden muß, in der Lage, ein sinusförmiges Referenzsignal aus den Sinus-Cosinus-Signalen des Gebers zu erzeugen, wobei dieser Vorgang durch einen externen Referenzschalter initiiert und in das nächstmögliche analoge Signalraster eingebaut wird (vgl. Fig. II). Wie in Fig. 10 gezeigt, liegen die durch den Interpolator erzeugten Referenzmarken entsprechend den Regeln für digitale Meßsysteme genau im Raster der Wegsignale, wobei dies sowohl für die Signale für das Teilerverhältnis von 1 als auch für die Signale mit interpolierten Signalfolgen gilt.The phase mixer gate shown in FIGS . 2 and 3 is able to generate a sinusoidal reference signal from the sine-cosine signals of the encoder in the cases in which a measuring system without its own zero pulse must be used, this process by a external reference switch is initiated and installed in the next possible analog signal grid (see FIG. II). As shown in FIG. 10, the reference marks generated by the interpolator lie exactly in the grid of the path signals according to the rules for digital measuring systems, this being true both for the signals for the division ratio of 1 and for the signals with interpolated signal sequences.
Die Fig. 4 zeigt ein Prinzipschaltbild eines Geberinterfaces, das aus zwei Gebereingängen mit Interpolatoren, von denen einer optional als zweiter Gebereingang verwendet werden kann, besteht. Ein nachgebildeter Geberausgang kann entweder die Eingangssignale des optionalen Eingangs oder die im Phasenmischgatter erzeugten Gebersignale zur nachfolgenden Steuerung weiterleiten. Mit dem zweiten Interpolator wird die Summe aus Mischsignal und Gebereingang getrennt erfaßt und dem FPGA zugeführt. FIG. 4 shows a schematic diagram of a transducer interface which consists of two encoder inputs with interpolators, one of which can be optionally used as the second sensor input. A simulated encoder output can either forward the input signals of the optional input or the encoder signals generated in the phase mixer gate to the subsequent control. With the second interpolator, the sum of the mixed signal and encoder input is recorded separately and fed to the FPGA.
Kernstück des erfindungsgemäßen Systems bildet ein analoger Phasenmischer, in dem die analogen Signale der Positionsmeßeinrichtung mit dem Winkel ϕ1 um einen Winkel ϕ2 mit definierter Frequenz verschoben werden, wobei dies für beide Werte sinϕ1 und sin(ϕ1 ± p) in gleicher Weise erfolgt. Da die Phasenverschiebung p zwischen den beiden Signalen in der Regel exakt 90° beträgt, entspricht das Signal sin(ϕ1 ± p) dem Wert cosϕ1. Die Erfindung erlaubt es, je nach Anwendungsfall den Winkel ϕ1 um einen Korrekturwinkel ϕ2 zu erhöhen oder zu vermindern. Bei der in Fig. 5 gezeigten Schaltung wurde davon ausgegangen, daß vom Wert vom Wert ϕ1 der Korrekturwinkel ϕ2 gezogen werden soll. Demzufolge muß die Schaltung also automatisch die Ausgangssignale sinϕ1, cosϕ1 der Positionsmeßeinrichtung, die die Eingangssignale des Phasenmischers bilden, in die der hier nicht weiter gezeigten Steuereinheit zuzuleitenden Ausgangssignale sin(ϕ1 - ϕ2) und cos (ϕ1 - ϕ2) umwandeln. Dies geschieht über die Beziehungen sin(ϕ1 - ϕ2) = sinϕ1 . cosϕ2 - cosϕ1 . sinϕ2 und cos(ϕ1 - ϕ2) = cosϕ1 . cosϕ2 + sinϕ1 . sinϕ2. Dabei werden die einzelnen Multiplikationsterme in vier Stufen erzeugt. Die zu 0 V symmetrischen Eingangssignale bilden den Winkel ϕ1. Die Winkel ϕ2 des Mischvorgangs werden durch Sinus-Cosinus-Tabellen erzeugt. Angesteuert werden diese Tabellen über EPROMS vom FPGA und der darin erzeugten "Mischfrequenz". Die Auflösung beträgt z. B. 10 Bit für einen Vollkreis. Vier multiplizierende A/D- Wandler bilden die einzelnen Stufen der Einzelresultate, die dann durch Addierverstärker verrechnet werden. Die gezeigte Schaltung ist voll statisch, so daß vorteilhaft Zwischenresultate erhalten bleiben.The heart of the system according to the invention is an analog phase mixer, in which the analog signals of the position measuring device with the angle ϕ 1 are shifted by an angle ϕ 2 with a defined frequency, this being the same for both values sinϕ 1 and sin (ϕ 1 ± p) he follows. Since the phase shift p between the two signals is usually exactly 90 °, the signal sin (ϕ 1 ± p) corresponds to the value cosϕ 1 . Depending on the application, the invention allows the angle ϕ 1 to be increased or decreased by a correction angle Anwendungs 2 . In the circuit shown in FIG. 5, it was assumed that the correction angle ϕ 2 should be drawn from the value of the value ϕ 1 . Accordingly, the circuit must automatically output signals sinϕ 1 , cosϕ 1 of the position measuring device, which form the input signals of the phase mixer, into the output signals sin (ϕ 1 - ϕ 2 ) and cos (ϕ 1 - ϕ 2 ) to be fed to the control unit (not shown here). convert. This is done using the relationships sin (ϕ 1 - ϕ 2 ) = sinϕ 1 . cosϕ 2 - cosϕ 1 . sinϕ 2 and cos (ϕ 1 - ϕ 2 ) = cosϕ 1 . cosϕ 2 + sinϕ 1 . sinϕ 2 . The individual multiplication terms are generated in four stages. The input signals symmetrical to 0 V form the angle ϕ 1 . The angles ϕ 2 of the mixing process are generated by sine-cosine tables. These tables are controlled by EPROMS from the FPGA and the "mixed frequency" generated therein. The resolution is z. B. 10 bits for a full circle. Four multiplying A / D converters form the individual stages of the individual results, which are then calculated by adding amplifiers. The circuit shown is fully static, so that intermediate results are advantageously retained.
Die Ansteuerung des in Fig. 5 gezeigten Phasenmischers erfolgt wie in Fig. 6 gezeigt. Dabei werden die in der Mischwinkelerzeugung generierten Impulse E2+/und E2i in einem bidirektionalen Pufferzähler von in diesem Ausführungsbeispiel 10 Bit erfaßt. Diese 10 Bit repräsentieren einen Kreis mit 1024 Teilwinkeln, dem jeder ein Wert in den Sinus-Cosinus-EPROM-Tabellen zugeordnet ist. Mit jedem neuen Impuls E2i wird eine Sequenz angestoßen, mit der der neue Winkelwert über die EPROM-Tabellen in die A/D-Wandler übertragen wird. Möchte man verschiedene Kreisauflösungen erhalten, so daß auch mit hohen Abtastfrequenzen gearbeitet werden kann, können vorteilhaft mehrere Tabellen in den Kreisauflösungen 10 Bit (= 2π/1024), 9 Bit (= 2π/512), 8 Bit (= 2p/256) und 7 Bit (= 2π/128) realisiert werden.The phase mixer shown in FIG. 5 is controlled as shown in FIG. 6. The pulses E2 + / and E2i generated in the generation of the mixed angle are recorded in a bidirectional buffer counter of 10 bits in this exemplary embodiment. These 10 bits represent a circle with 1024 partial angles, each of which is assigned a value in the sine-cosine EPROM tables. With each new pulse E2i, a sequence is initiated with which the new angle value is transferred to the A / D converter via the EPROM tables. If you want to get different loop resolutions, so that you can work with high sampling frequencies, several tables in the loop resolutions 10 bit (= 2π / 1024), 9 bit (= 2π / 512), 8 bit (= 2p / 256) and 7 bits (= 2π / 128) can be realized.
Die Fig. 7 zeigt einen Tiefpaßfilter, und zwar ein dreipoliges Besselfilter, mit dem es vorteilhaft möglich ist, die maximal möglichen analogen Ausgangsfrequenzen des Phasenmischers zu begrenzen. Die Grenzfrequenz beträgt ca. 300 kHz. FIG. 7 shows a low-pass filter, specifically a three-pole Bessel filter, with which it is advantageously possible to limit the maximum possible analog output frequencies of the phase mixer. The cut-off frequency is approximately 300 kHz.
In der Fig. 8 ist eine Ausgangsstufe gezeigt, die das Analogsignal aus den internen Verarbeitungsstufen des Phasenmischers verstärkt und das invertierte Signal mit den gleichen Signalspezifikationen wie die beim Phasenmischer eingehenden Ausgangssignale der Positionsmeßeinrichtung besitzt. Durch eine Korrekturspannung wird der Nullpunkt der analogen Signalpegel wieder auf den Normalpegel zwischen 0 und 5 Volt angehoben, wodurch vorteilhaft erreicht wird, daß die nachgeschaltete Steuereinheit keinen Unterschied zu einem direkten Meßsystemausgang feststellt.In FIG. 8, an initial stage is shown, which amplifies the analog signal from the internal processing stages of the phase mixer, and the inverted signal with the same specifications as the signal received by the phase mixer output signals of the position measuring device has. A correction voltage raises the zero point of the analog signal level back to the normal level between 0 and 5 volts, which advantageously has the result that the control unit connected downstream detects no difference from a direct measuring system output.
Die Auswertung des analogen Meßsystemsignals geschieht mittels Interpolatorbausteinen, wie in Fig. 9 gezeigt. Dabei sind die Bausteine in der Lage, den durch die Sinus- und Cosinussignale gebildeten Kreis in gleichmäßige Winkelsegmente zu zerlegen und so eine wählbare Multiplikation der Gebersignale bis zum Faktor 50 zu erreichen. Die erzeugten Signale liegen in digitaler Form vor und sind Gray kodiert, entsprechend einschrittigem Code. Der Baustein liefert parallel zueinander die Signale . 1 und die über zwei Eingänge wählbaren interpolierten Signale.The analog measuring system signal is evaluated by means of interpolator components, as shown in FIG. 9. The modules are able to break down the circle formed by the sine and cosine signals into uniform angle segments and thus achieve a selectable multiplication of the encoder signals up to a factor of 50. The signals generated are in digital form and are Gray-coded, corresponding to a one-step code. The block supplies the signals in parallel. 1 and the interpolated signals that can be selected via two inputs.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich z. B. auf die schaltungstechnische Realisation des Phasenmischers beziehen. Erfindungswesentlich ist jedenfalls das Beimischen eines beliebige Fehler korrigierenden und - falls gewünscht - auch bewußt zur Ansteuerung bestimmter Positionen dienenden Korrekturwinkels in die von einer Positionsmeßeinrichtung gelieferten Positionssignale auf ihrem Weg zur Steuereinheit, wobei das Beimischen vorzugsweise unter Anwendung der Additionstheoreme für die Addition zweier Winkel (sin(ϕ1 ± ϕ2) = sinϕ1 . cosϕ2 ± cosϕ1 . sinϕ2, cos(ϕ1 ± ϕ2), = cosϕ1 . cosϕ2 ± sinϕ1 . cosϕ2) erfolgt.Within the framework of the inventive concept, numerous modifications and further developments are possible, which are e.g. B. refer to the circuit implementation of the phase mixer. Essential to the invention is in any case the admixing of any error-correcting and - if desired - also deliberately used to control certain positions serving correction angle in the position signals supplied by a position measuring device on their way to the control unit, the admixing preferably using the addition theorems for the addition of two angles (sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ) = sinϕ 1. cosϕ 2 ± cosϕ 1. sinϕ 2 , cos (ϕ 1 ± ϕ 2 ), = cosϕ 1. cosϕ 2 ± sinϕ 1. cosϕ 2 ).
Claims (15)
- - Mittel zum Einlesen der Ausgangssignale sinϕ1, sin(ϕ1 ± p),
- - eine Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens einer Tabelle mit im Zustand x zu berücksichtigenden Korrekturwinkeln ϕ2 oder trigonometrischen Entsprechungen dieser Winkel,
- - vier multiplizierenden A/D-Wandlern zur Bildung von gemäß den Additionsteoremen für die Summe zweier Winkel zu berücksichtigenden Termen sowie
- - zwei mit jeweils zwei der vier multiplizierenden A/D-Wandlern verbundenen Addierverstärkern zur Bildung der Werte sin(ϕ1 ± ϕ2) und sin(ϕ1 ± ϕ2 ± p) bzw. cos (ϕ1 ± ϕ2) aus den von den multiplizierenden A/D-Wandlern gelieferten Werten.
- Means for reading in the output signals sinignale 1 , sin (ϕ 1 ± p),
- a storage device for storing at least one table with correction angles ϕ 2 to be taken into account in state x or trigonometric equivalents of these angles,
- - Four multiplying A / D converters to form terms to be taken into account in accordance with the addition toremes for the sum of two angles and
- - Two adding amplifiers connected to two of the four multiplying A / D converters to form the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ) and sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ± p) or cos (ϕ 1 ± ϕ 2 ) from the from the multiplying A / D converters.
- - Mittel zum Einlesen der analogen Ausgangssignale sinϕ1, sin(ϕ1 ± p),
- - eine Speichereinrichtung zum Speichern wenigstens einer Tabelle mit im Zustand x zu berücksichtigenden Korrekturwinkeln ϕ2 oder trigonometrischen Entsprechungen dieser Winkel,
- - wenigstens einen A/D-Wandler zur Umwandlung der sinusförmigen analogen Ausgangssignale in digitale Signale und
- - eine digitale Recheneinheit zur Bildung der Werte sin(ϕ1 ± ϕ2) und sin(ϕ1 ± p1 ± ϕ2) bzw. cos(ϕ1 ± ϕ2) aus den von dem wenigstens einen A/D-Wandler gelieferten digitalen Signalen.
- Means for reading the analog output signals sin Ausgangss 1 , sin (ϕ 1 ± p),
- a storage device for storing at least one table with correction angles ϕ 2 to be taken into account in state x or trigonometric equivalents of these angles,
- - At least one A / D converter for converting the sinusoidal analog output signals into digital signals and
- - A digital arithmetic unit for forming the values sin (ϕ 1 ± ϕ 2 ) and sin (ϕ 1 ± p 1 ± ϕ 2 ) or cos (ϕ1 ± ϕ 2 ) from the digital supplied by the at least one A / D converter Signals.
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